作者：Barry Manz， 貿澤電子 去年12月藍牙技術聯盟（Bluetooth Special Interest Group）發布了2822頁的藍牙5技術標準，很明顯藍牙技術聯盟的目的是讓藍牙5更加符合物聯網應用的需求。然而盡管網格網絡對于工業系統到預警系統以及家居自動化等物聯網應用不可缺少的重要部分，但是當時網格網絡支持并沒有在規范中出現。想弄明白為什么網格網絡如此的重要，我們不妨先了解藍牙5所提供的其他一些改進——更寬的范圍、更快的數據傳輸、與現有技術保持共存。 深入理解網格網絡 藍牙采用的是星型拓撲結構（如圖1a），所有設備都連接到中心節點。因為每個設備不能充當為一個節點，那么擴展網絡的唯一方式就是將更多的設備連接到中心節點上。這種方式能夠采用有線網絡方式實現（當然要用到很多網線），但是無線星型拓撲網絡的可擴展性則是非常有限的，最大傳輸距離是由最遠的連接設備所決定的。一個更好的解決方案就是網格網路（如圖1b），所有設備之間都能夠互相通信，這就使得網絡的大小和覆蓋的范圍變得幾乎無限大。 圖1：星型（a）拓撲結構具有局限性，網格類型（b）則可以不斷擴展 藍牙技術不支持網格網絡是一個非常嚴重的缺點，物聯網（IoT）的發展已經從原型進化到實際的系統。例如，在生產車間可能有成百上千個無線傳感器，它們之間也需要共享信息，通過有線或者無線的方式與外面的世界和互聯網進行通信，但是藍牙卻不支持這些。 實際上，藍牙對于網格網絡的需求是非常重要的，很多公司例如Cambridge Silicon Radio (CSR)公司在2015年被高通（Qualcomm）公司收購，設計了多種方式讓低功耗藍牙設備之間形成一個網格網絡，盡管藍牙標準中并不包含網格網絡特性。包括Nordic半導體在內的很多公司與藍牙技術聯盟展開合作，推進藍牙5具備網格網絡的能力。 既然網格網絡會在藍牙5進行標準化，那我們可以想到僅憑這一個因素就能讓這項技術成為各種物聯網（IoT）應用的選擇。與其他技術不一樣的是藍牙主要集成到智能手機、平板電腦和筆記本電腦中，所以藍牙5網絡可以通過app進行可重配置，用戶可以在設備旁邊也可以在千里之外。這大大降低了藍牙5網絡控制的成本和復雜度。對于物聯網系統這真是太棒了。 網格網絡有力的支持了藍牙5的一些新的特性，比如擴展了使用范圍，藍牙5理論的最大傳輸距離是200米，是藍牙4.0的兩倍。為了擴大范圍藍牙5提高了最大輸出功率從10dBm（10mW）到20dBm（100mW）。 使用范圍，速度和共存性的作用 范圍的擴大對于任何通信類應用都是期望的，對于家居自動化則尤其的重要。藍牙5更廣的范圍和網格網絡拓撲能夠非常好的支持這類應用，能夠讓更大空間房屋內的設備實現互連通信，甚至支持位于兩個建筑之間的設備進行通信。這在以前是很難想象的，其他技術如WiFi和Zigbee才因此具有一定的優勢。 擴大了覆蓋范圍以及增加了網格網絡拓撲也會對藍牙的Beacon（廣播捕獲）功能帶來一些影響，雖然自2013年推出以來并沒有獲得廣泛應用，但是這是事實，盡管Beacon技術的很多屬性對于很多應用都很有幫助。 Beacon技術定義 從基礎層面來將，beaconing技術是在短距離范圍內發送很短的信息并且跟蹤藍牙設備，不需要beacon與設備之間進行配對。唯一的要求就是這個設備一般是蘋果或者安卓智能手機、平板電腦事先已經安裝了beacon專用app。零售行業目前是beacon技術采用的主要用戶，因此下文我們以這個為例進行介紹。 在大型購物商場中，商家會在店內不同位置安裝beacon設備，比如商店入口、柜臺前和收銀柜臺等（如圖2所示）。一般這些設備都非常小（尺寸1x5x0.75英寸），在固定的間隔內廣播信號，每個信號都會包含一些數據。因為數據量非常小，RF輸出功率也就非常低，功耗也大大降低了，一個小的紐扣電池就能夠保持beacon設備工作數年之久。而且這些設備價格也不貴，零售商能夠在很多位置安裝這些設備。 當顧客進入到店內就會收到beacon設備發出的一個通知，會彈出顯示一個URL網址或者其他信息。一般是優惠券、老顧客回饋或者其他一些形式的推廣。顧客會查看通知，進入某個零售店的網址，這樣顧客會看到更多的商品信息。 圖2：傳統零售行業采用beacon技術的場景是beacon設備可以放置在任何位置，能夠跟蹤顧客的去向 零售商和其它機構如博物館可以向用戶發送通知，從鏈接到內容豐富的網站，我們很容易想到這給商家帶來的重大價值。當著beacon技術也可以用來進行定位和導航，跟蹤任何東西（包括人），自動注冊交易會參加者以及擴展其他很多應用。因為beacon技術只是發射短信息數據包，不會收集用戶的私人信息，因此不存在安全問題。 Beacon技術的作用還主要依賴零售商或者其他機構選擇向用戶發送的信息，例如零售商能夠確定顧客對哪些產品有更大的興趣，顧客會在商店內哪些位置停留以及他們是否會買哪些商品（如圖3所示）。 圖3：beacon設備向智能手機上的app發送通知，如果用戶查看通知會向服務器發送反饋，進而給用戶發送網站鏈接查看更多的產品信息。 然而有一些遺憾的是在藍牙4標準中，允許發送的最大數據長度是31字節，因此數據太短不能涵蓋大多數URL的全部信息或者發送的文本信息也不能傳達什么有用的信息。藍牙5解決了這個問題，將最大數據長度增加到255字節，因此我們可以發送更多數據信息。藍牙5同時也具備更快的數據傳輸速率，這不僅給beaconing技術帶來好處，同時也大大方便了其他應用。 更快的數據傳輸 藍牙5提升了最大數據傳輸速率，從藍牙4.0的1Mb/s提升到2Mb/s。盡管提升的幅度不是很大，但是這樣已經能夠在更短的時間內發送更多的數據信息了。速率提升的一大驅動者就是來自物聯網（IoT）這樣的應用，它們需要即時的雙向通信，例如在醫療上需要控制機器人手術設備，生產車間內需要控制一些大型機器。同時也能夠讓物聯網（IoT）設備存儲一定量的數據，然后在幾秒鐘內發送出去。這樣會降低物聯網（IoT）設備的功耗，對于保持電池的壽命是很重要的。 藍牙5帶來速度上提升對于物聯網（IoT）的另一個好處是能夠更快更頻繁的對傳感器進行更新，這對于確保系統網絡中的每個設備都具備最新的安全特性和最新的系統固件非常重要。尤其安全問題尤其受到人們關注，因為有些不法之徒已經找到如何破解物聯網設備和網絡的方法，而且物聯網設備的增加他們的破壞活動也會不斷增加，因此即使的系統更新會有效的防御各種破壞活動。 與其他技術共存 除了之前我們討論過的，藍牙5還有一些其他提升特性也給它帶來了強大的功能，其中最重要的一個就是在2.4GHz工業科學與醫療（ISM）頻帶上與其他技術保持良好的共存特性。 在藍牙支持的頻率范圍內不僅僅只有這一項技術，只有通過特性集成以及有效的其他技術區分開來例如Wi-Fi，它們才不會在同一頻帶運行的同時產生互相干擾。舉個例子，在藍牙5規范制定和開發的過程中，藍牙技術聯盟（SIG）就考慮到在很多地方，包括物聯網（IoT）使用的領域，藍牙也不僅僅是唯一的一項技術?? 為了確保在這些情況下保持最小的影響，因此在標準的制定上有很多約束，例如避免占用Wi-Fi使用的通道，同時增加了“slot availability masks”特性，能夠檢測和自動阻止蜂窩網絡帶來的干擾。現在蜂窩網絡正在不斷的擴張，它們使用的頻率與藍牙的非常接近，因此有效的避免干擾顯得尤為重要。 當然并不是只用藍牙技術聯盟（SIG）一家機構意識到在很多情況下不僅只有一種連接解決方案可以采用，芯片供應商也意識到這個問題，因此它們會在設計SoC器件時集成更多的互連協議。 簡化解決方案 盡管很多系統只采用一種互連解決方案，但是也有應用采用多種方案。從設計者的角度來看，這可能需要不同的SoC器件，大大增加了系統成本以及復雜度，而且會增加產品面市的時間。當然如果由芯片供應商來解決這個問題則會方便很多，比如讓更多的SoC器件集成多種通信協議。 第一家這樣做的芯片廠商是Nordic半導體公司，在去年12月份推出了nRF52840 SoC器件以及相關開發套件原型（如圖4所示），之后不久推出了正式完整的套件產品。提供了藍牙5開發的單板開發工具，并且這款低功耗處理器集成了ANT無線傳輸協議（IEEE 802.15.4m 低功耗無線網絡標準），適用于2.4GHz無線應用開發。 圖4：Nordic半導體公司推出的nRF52840 SoC開發板卡，單板解決方案提升了產品開發進度，支持藍牙5、IEEE 802.15.4m以及專用的互連標準。 Arduino Uno 3兼容nRF52840 SoC器件，它集成了64MHz、32位ARM Cortex M4F處理器，全新的無線電架構設計、RF功率放大器、1Mbyte flash存儲、256Kbytes RAM、USB2.0接口一起其他特性。采用5V直流（DC）供電，與ARM CryptoCell-310密碼加速器共同解決系統安全防御問題。 另一個例子是Skyworks公司推出的解決方案SKY66112-11前端模塊（如圖5所示），支持藍牙5.0技術、多線程、ZigBee，輸出5倍以上的RF發射功率（100mW， 20dBm），這解決了更大規模功放類應用的需求，并且提升了接收敏感度7dB，是接收頻率范圍的2倍以上。 圖5：Skyworks公司推出的SKY66112-11前端模塊，兼容藍牙5.0技術 TI（德州儀器）公司的CC26XX SimpleLink無線微控制器也是為多個通信協議標準而設計的，它集成了藍牙、ZigBee和6loWPAN標準。該系列器件采用ARM Cortex-M3處理器、超大的存儲空間以及控制器，與外圍的傳感器連接，能夠自動收集收據同時還能夠讓系統復位進入休眠狀態。它的功耗非常低，集成了廣泛的功能和接口，支持AES-128加密機制。 總結 本篇文章介紹的關于藍牙5特性的一些主要方面，當然還有很多其他微小的調整和提升，集成的這么多特性讓藍牙5.0成為更低功耗的藍牙技術，在物聯網（IoT）系統應用中相比其他技術標準具有明顯的競爭力。網格（mesh）網絡帶來的好處是廣泛的，這使得該標準第一次支持在更小的范圍內搭建個人網絡。然而更多的優勢包括提升了beacon技術支持、更高的數據傳輸速率、每次傳輸更大的數據長度以及其它方面的提升，同時又具有更低的系統功耗、更低的系統實現成本、更大市場潛力，因此藍牙5.0在未來幾年的發展中將保持更強的競爭力。 作者介紹： Barry Manz是Manz通信公司的董事長，他與超過100家公司保持過合作關系，設計的領域包括RF、微波、國防、測試與測量、半導體、嵌入式系統、光波以及其它市場。他為電子防御雜志、軍事微波文摘擔任編輯，同時也是微波與RF雜志的主編。 原文鏈接： (mbbeetchina)